钢筋混凝土框排架结构在实际工程中的应用

许岩

（中铁华铁工程设计集团有限公司，北京100071）

1 工程概况

北京地铁某联合检修库，基本烈度8度0.20g，第一组。场地土类别Ⅱ类，特征周期Tg=0.35s，抗震设防类别丙类。纵向柱距 6.0m，跨度为 12m、18m、15m，总宽 45.48m，总长 270.30m。18m、15m跨为单层厂房，12m跨为2层的辅助间。厂房沿纵向设2道伸缩缝兼抗震缝，将结构分为3个区段，每段长度≤100m，本文取区段一进行分析。区段一的结构平面图和剖面图见图1、图2。

2 结构体系选取

由于工艺的需要，库内出现了一部分多层、一部分单层且有桥式吊车的大空间体系。这类工程的结构方案有中间设抗震缝分割成排架和框架的结构形式，也有合为一体的框排架结构形式。高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构，在汶川地震中抗震缝两侧结构发生碰撞破坏也是造成震害的主要原因之一。从经济的角度考虑，不设缝可以减少一排框架柱并节约用地。经过方案论证，多层框架和单层排架相互连为一体的钢筋混凝土框排架结构体系更适合本工程。

图1 区段一的结构平面布置图

图2 区段一的建筑剖面图

本工程从结构概念设计上不利于抗震，框架和排架沿竖向的质量、刚度分布不均匀，竖向有高差，抗侧力构件分布不对称，结构抵抗扭转的刚度偏小。设计中应通过调整结构不规则指标来尽量减小扭转作用带来的影响。

排架柱截面宽度均为400mm，截面高度按照厂房柱顶高度分别取值为600mm、800mm和840mm。经过验算，排架柱均满足变形要求。框架柱截面为400mm×600mm，纵向刚度较弱，当不设支撑时小震弹性层间位移角为1/440，不能满足变形要求。为了提高纵向刚度，在柱间设置了双角钢交叉支撑，使得小震弹性位移角小于规范限值。

3 结构模型的建立

国内对排架结构设计多采用平面模型。GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》[1]6.2.2条中提出：框排架结构应按空间结构模型计算地震作用，复杂框排架结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于2个不同的力学模型，并应对其计算结果进行分析比较。因此，在建立模型时考虑2种不同的力学模型进行分析比对。

模型①：按平面结构计算，分别计算厂房的横纵向，此时模型有以下规定和简化：（1）采用振型分解反应谱法，其振型数应不少于6个；（2）周期调整系数取0.8；（3）框架部分纵向按照设置支撑和不设支撑分别建模计算，阻尼比分别取0.045和0.05。根据多道防线的设计概念，支撑是第一道防线，框架部分承担的地震作用取2种模型的较大值进行设计。模型①采用PKPM的平面分析软件PK模块。

模型②：按空间结构计算，考虑扭转耦联的双向地震作用效应。此时，模型有以下规定和简化：（1）采用振型分解反应谱法，振型数不少于12个；（2）不计入墙体刚度；（3）周期调整系数取 0.8；（4）屋架简化为一轴力杆件，并认为屋架与排架柱理想铰接，不考虑屋架在地震作用下失效的问题；（5）由于 12m 跨现浇楼板平面狭长，采用弹性板单元建模，反映真实的变形；（6）钢支撑设置为只受拉力单元。模型②采用通用有限元软件Midas/Gen建立空间模型。模型②三维结构布置图见图3。

图3 模型②三维结构布置图

4 主要计算结果分析

对周期和地震作用效应进行比对分析。模型①按GB 5011—2010《建筑抗震设计规范》[2]5.2.3-1条“增大系数法”考虑扭转效应，对地震作用进行放大。模型②按照考虑双向水平地震作用下的扭转耦联效应计算，并与模型①的结果进行对比。

4.1周期、振型的对比分析

结构的振型和周期见表1，模型②前3阶振型图见图4。

表1 结构的振型和周期

通过2个模型的周期对比，平面模型的平动周期和空间模型的平动周期基本一致，最大相差不超过5%。2个模型具有分析对比的意义。

模型②的第二振型为扭转振型，第三振型中的扭转因子达到了0.37，高频振型也有较大的扭转效应。说明了结构存在质量、刚度不规则的特点。结构的扭转周期比为0.95，抗扭刚度较弱。

图4 模型②前3阶振型图

4.2 地震作用效应的对比分析

由周期和振型结果可知，结构抗侧刚度较小的是Y向框排架体系。这里主要对比Y向水平地震作用和Y向柱内力结果。

模型①：Y向水平地震作用下每榀框排架底部剪力为262.272kN；柱Y向在单向地震SRSS振型组合条件下由地震作用产生的内力标准值：弯距M=300.62kN·m，轴力N=-110.96kN，剪力V=74.64kN。

模型②：Y向水平地震作用下每榀框排架底部剪力为281.7kN。角柱Y向在单向地震CQC振型组合条件下由地震作用产生的内力标准值：M=307.37kN·m，N=-129.06kN，V=81.72kN。在考虑双向地震作用CQC振型组合条件下由地震作用产生的内力标准值：M=372.10kN·m，N=-242.8kN，V=98.9kN。

底层剪力对比分析，模型②采用考虑扭转偶联效应的CQC法，底层剪力281.7kN为平面模型①的1.07倍。由柱1的内力结果对比分析，双向地震作用下的增大较为显著，角柱在双向地震作用下轴力比单向地震作用增加了88%。考虑双向地震作用的弯矩值为平面模型①弯矩值的1.24倍。

5 结论与设计建议

北京地铁某联合检修库采用了钢筋混凝土框排架结构和钢支撑-钢筋混凝土框架的结构体系。在该项目设计过程中发现，结构的平面布置看似规则整齐，但实际上质量和刚度分布不均匀，竖向也存在错层和刚度突变，属于抗震概念上的不规则结构。通过本次对比分析，得出以下结论和设计建议：

1）框排架结构质量、刚度分布复杂，薄弱部位较多。尤其是不等高厂房的上柱截面较小，极易形成薄弱部位。在双向地震的作用下，这些部位的地震反应较单向地震作用更为强烈。在汶川地震震害中，上柱折断是排架结构的主要破坏形式之一。因此，对于上柱截面设计应提出比计算结果更高的要求。

2）由于框排架结构的不规则性，应采用空间计算模型。考虑到结构横纵向布置的特点，根据前述相关分析结果，对以平面模型的简化计算方法来设计这类框排架结构提出建议：采用平面模型计算势必会减小结构的实际地震效应，因而，需对此地震效应结果乘以增大系数，以考虑空间作用和扭转效应的影响。而GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的增大系数取值偏小，GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》的调整系数也没有涵盖所有框排架形式。需要根据结构布置的不规则程度选取合适的增大系数。

3）运用基于性能的抗震设计理论，对于钢筋混凝土框排架结构，应提出将层间位移角作为结构性能的评定标准。建议弹性层间位移角限值为1/550～1/500，弹塑性层间位移角限值为1/200，极限荷载对应的层间位移角限值为1/50[3]。

4）纵向钢支撑-框架结构体系，钢支撑在小震弹性下的应力比不应超过0.75。框架部分按照设置支撑和不设支撑分别建模计算，框架部分承担的地震作用取2种模型的较大值进行设计。

5）钢筋混凝土框排架结构体系抗扭刚度较弱，扭转效应显著，更适合用于低烈度区。在8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度区应慎用或采取消能减震措施。高度较高的框排架结构，建议在周边布置剪力墙，形成框架-剪力墙-排架体系，可以显著提高抗扭刚度。

6）加大周边的钢支撑和柱截面，提高边榀及角部的刚度，有利于控制结构的扭转效应。但由于调整后周期变小，也同时加大了地震作用，设计时应综合考虑。